優(yōu)化的EVM測(cè)試方法

設(shè)備日益增長(zhǎng)的EVM要求

Wi-Fi7為了達(dá)到極高的吞吐量，離不開(kāi)更大的帶寬，更高階的調(diào)制方式，當(dāng)然還有編碼率，單位符號(hào)時(shí)間，或者改變另一個(gè)維度，更多的空間流，也就是MIMO方案。帶寬屬于有限的可分配資源，為了提高效率我們上文已經(jīng)介紹過(guò)了MRU和頻譜打孔技術(shù)，天線數(shù)量在終端里也不可能無(wú)限制增加，那么調(diào)制方案的提升就給我們帶來(lái)了另一層面的挑戰(zhàn)。例如802.11ac的256QAM提升到802.11be的4096QAM，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)星座點(diǎn)會(huì)如此接近，即使是微小的誤差也可能導(dǎo)致相鄰星座點(diǎn)的混淆，這就意味著需要一種完美的射頻鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)-38dB的EVM，并且要能夠支持3個(gè)頻段，這無(wú)疑對(duì)射頻設(shè)計(jì)與測(cè)試方面都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為了確保在實(shí)際應(yīng)用中有足夠的性能余量，儀器通常需要實(shí)現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)要求更低的EVM，往往4096QAM調(diào)制的殘余EVM需要達(dá)到-48dB或更低，以降低測(cè)量不確定度并應(yīng)對(duì)實(shí)際操作中的各種不確定因素，如溫度變化，硬件老化等。極致的EVM性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定和可靠的通信系統(tǒng)中至關(guān)重要，特別是在采用高階調(diào)制的Wi-Fi7通信系統(tǒng)中。

優(yōu)化的EVM測(cè)試方法

先回答大家最普遍關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，極致的EVM指標(biāo)是多少？

SMW和FSW直連的性能，6 GHz的802.11be信號(hào)，320MHz帶寬，4096QAM調(diào)制方式，我們直接上圖：

圖2 Wi-Fi7信號(hào)EVM測(cè)試結(jié)果

低于-50dB，這是一個(gè)比較理想的數(shù)值，但是想要達(dá)到極致的EVM指標(biāo)，我們必須對(duì)測(cè)試與測(cè)量的設(shè)備進(jìn)行一些設(shè)置，至少讓儀器可以展現(xiàn)出足夠的動(dòng)態(tài)范圍性能，當(dāng)然也要考慮到對(duì)EVM性能測(cè)量產(chǎn)生影響的不同情況。

首先要考慮到EVM的影響因素是信號(hào)的頻率響應(yīng)，假設(shè)SMW的IQ調(diào)制器每次生成信號(hào)都在沒(méi)有任何偏移情況下工作，如果每次設(shè)置都要注意操作就比較繁瑣了，這時(shí)進(jìn)入信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)名為優(yōu)化EVM的功能，可以更簡(jiǎn)便地優(yōu)化操作步驟，激活以后可以看到一個(gè)EVM提升的指示。

圖3 信號(hào)源EVM優(yōu)化功能

另外一個(gè)很重要的影響因素，就是如何能運(yùn)用信號(hào)分析儀的最佳動(dòng)態(tài)范圍，調(diào)整到合適的參考與測(cè)量電平。很多朋友都習(xí)慣采用FSW的Auto Level功能，這個(gè)功能確實(shí)可以根據(jù)輸入信號(hào)的平均強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整分析儀內(nèi)部的衰減與參考電平。但我們這里要談?wù)摰氖切盘?hào)的波峰系數(shù)，也就是峰均比，對(duì)于一個(gè)Wi-Fi的寬帶信號(hào)來(lái)說(shuō)，帶寬和調(diào)制階數(shù)決定了波峰系數(shù)。如果調(diào)平信號(hào)波峰系數(shù)低，這意味著仍然有提高參考電平的余地來(lái)使用信號(hào)分析儀ADC完整的動(dòng)態(tài)范圍，如果調(diào)平信號(hào)波峰系數(shù)高，我們必須注意峰值功率，以免信號(hào)分析儀任何輸入階段的過(guò)載，并由足夠的余量超過(guò)ADC的噪聲流。因此，如果比較信號(hào)質(zhì)量，我們必須考慮波峰系數(shù)，這會(huì)對(duì)EVM造成較大的影響，過(guò)高過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果變大。

讓我們回到儀器上來(lái)優(yōu)化這個(gè)問(wèn)題，在信號(hào)源的基帶模塊里（配備K147選件）具有削峰的設(shè)置，802.11be的前導(dǎo)碼部分會(huì)造成較大的峰均比，這個(gè)時(shí)候最好的辦法就是把前導(dǎo)碼部分的信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的電平調(diào)平，也可以通過(guò)Clip signal Fields to Payload Max Peak這個(gè)簡(jiǎn)易的開(kāi)關(guān)來(lái)激活，SMW的功率欄也可以看到打開(kāi)削峰后，峰值功率在降低。這有利于我們更有效地使用信號(hào)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，而因?yàn)橄鞣宓氖乔皩?dǎo)碼序列部分，不影響原本的信號(hào)質(zhì)量。

圖4 信號(hào)源基帶前導(dǎo)碼削峰

（圖5-1前導(dǎo)碼削峰前?）

（圖5-2前導(dǎo)碼削峰后?）

圖5-1、5-2 削峰后的峰值功率變化

信道估計(jì)

很多朋友都會(huì)問(wèn)我們，“我在進(jìn)行Wi-Fi信號(hào)解調(diào)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這個(gè)信道估計(jì)里面有很多選項(xiàng)，打開(kāi)某個(gè)開(kāi)關(guān)后會(huì)讓我測(cè)試到的EVM好幾個(gè)dB，我要不要打開(kāi)？這是否是真實(shí)的EVM測(cè)試值？” 。今天我們就帶大家把這些信道估計(jì)的功能屢一遍，有助于增強(qiáng)大家對(duì)FSW WLAN選件中信道估計(jì)多個(gè)功能的印象。

首先，我們需要知道信道估計(jì)是在Wi-Fi信號(hào)解調(diào)中用于獲取無(wú)線信道特性的過(guò)程，它幫助接收端準(zhǔn)確恢復(fù)發(fā)送的信號(hào)。信道估計(jì)的目的是消除多徑效應(yīng)和信道衰落的影響，提高通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸效率。

我們先來(lái)看看信道估計(jì)的設(shè)置界面，并給出協(xié)議上規(guī)定的設(shè)備測(cè)試要求，以及如何能達(dá)到最優(yōu)的EVM設(shè)置。

圖6 FSW信道估計(jì)界面

圖7 信道估計(jì)的推薦配置

最先的是信道估計(jì)范圍，有效載荷和前導(dǎo)碼之間存在不同，前導(dǎo)碼意味著信道估計(jì)只能在信號(hào)的短部分完成，而有效載荷可以在整個(gè)部分或者整個(gè)信號(hào)上進(jìn)行，這樣可以得到更好的EVM性能結(jié)果。默認(rèn)選項(xiàng)是前導(dǎo)碼估計(jì)，這是協(xié)議對(duì)自身產(chǎn)生信號(hào)和調(diào)制器設(shè)備測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，如果是驗(yàn)證一個(gè)放大鏈路的EVM效果，當(dāng)然可以采用有效載荷估計(jì)。

802.11標(biāo)準(zhǔn)允許設(shè)備EVM測(cè)試時(shí)在每個(gè)子載波上評(píng)估復(fù)雜信道的響應(yīng)系數(shù)，信道評(píng)估是在頻域進(jìn)行的，主要取決于前導(dǎo)碼序列中的長(zhǎng)訓(xùn)練序列符號(hào)（Long Training Field，LTF），并且通過(guò)插值的方法得到缺失的子載波用于估計(jì)。

802.11be的物理層提供兩種符號(hào)長(zhǎng)度的LTF序列，6.4μs（2*LTF）和12.8μs（4*LTF），我們可以在SMW200A內(nèi)部的WLAN選件中配置得到，而在FSW解調(diào)時(shí)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)LTF的周期。通過(guò)在多個(gè)重復(fù)的LTF周期內(nèi)做測(cè)量和平均可以在具有較長(zhǎng)LTF序列的信號(hào)中得到更好的均衡訓(xùn)練結(jié)果。

信道估計(jì)插值的設(shè)置只在802.11ax和802.11be中有效，它對(duì)信道提供了濾波，它一方面可以降低信號(hào)噪聲，一方面可以降低信號(hào)缺失部分插值帶來(lái)的未使用子載波的影響，我們一般稱之為未使用子載波誤差（Unused Tone Error）。因此，我們通過(guò)信道估計(jì)得到了均衡功能的平滑測(cè)試結(jié)果。

然后，我們?cè)谶@里也可以做相位時(shí)間幅度的追蹤，這些和IQ失配補(bǔ)償相結(jié)合，就是另一個(gè)層面的EVM優(yōu)化了。這里相位和時(shí)間追蹤是根據(jù)協(xié)議要求默認(rèn)打開(kāi)的，但幅度的追蹤只在11ax里打開(kāi)來(lái)補(bǔ)償幅度漂移，11be里暫時(shí)不使用。

IQ失配補(bǔ)償現(xiàn)在可以在每個(gè)子載波上的基礎(chǔ)上進(jìn)行，假設(shè)每個(gè)子載波上都有獨(dú)立的噪聲，做一些平均可以降低頻率響應(yīng)計(jì)算的噪聲。但是如果在整個(gè)頻段上做平均，如果實(shí)際信號(hào)的平坦度較為粗糙，在每個(gè)子載波上的功率不盡相同，選擇Average Subcarrier反而有可能惡化實(shí)際的EVM值，這個(gè)時(shí)候需要采用per Subcarrier來(lái)進(jìn)行平均可以達(dá)到更好的效果。

圖8 IQ失配補(bǔ)償設(shè)置

這個(gè)時(shí)候我們可以通過(guò)把FSW解調(diào)界面Display-Result Summary Detailed的功能拖出來(lái)，觀察此時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉IQ失配補(bǔ)償帶來(lái)的效果，包含I/Q偏移，增益不平衡，I/Q正交偏移以及I/Q之間的時(shí)延差。如果你采用的是SMW200A信號(hào)發(fā)生器作為數(shù)據(jù)源的話，你還可以在源端進(jìn)行修正與補(bǔ)償，具體到每個(gè)偏移量找到設(shè)備鏈路上帶來(lái)EVM惡化的因素，非常適合研發(fā)工程師。

圖9 IQ適配補(bǔ)償參數(shù)

IQ噪聲抵消選件

我們都知道，影響信號(hào)與頻譜分析儀的殘余EVM指標(biāo)的因素有：

相位噪聲，可以通過(guò)采用高質(zhì)量的本振給高端的信號(hào)分析儀如FSW帶來(lái)可靠的EVM測(cè)試結(jié)果；

頻率響應(yīng)，可以通過(guò)儀器內(nèi)部均衡器的補(bǔ)償達(dá)到一個(gè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)；

非線性，可以通過(guò)調(diào)整充分衰減來(lái)降低影響；

寬帶噪聲，由儀器本身的噪聲系數(shù)決定，包含熱噪聲和各個(gè)射頻器件的噪聲貢獻(xiàn)，并且對(duì)于更寬的信號(hào)有提升。

當(dāng)然對(duì)于寬帶噪聲的影響，還有一種方法，就是R&S公司推出的IQ噪聲抵消（IQ Noise Cancellation，IQNC）選件FSW-K575，它從算法的角度上集成在儀器固件中，通過(guò)在接收端進(jìn)行處理，消除IQ不平衡和噪聲干擾。原理是將接收到的信號(hào)噪聲多次測(cè)量并進(jìn)行比較，將接收機(jī)功率測(cè)量和輸入端口負(fù)載情況比較就可以得到接收機(jī)內(nèi)部的噪聲，多次測(cè)量取平均去和參考信號(hào)比較可以估計(jì)出一個(gè)接近理想的無(wú)噪聲信號(hào)，將多次的測(cè)量結(jié)果和這個(gè)平均值做修正運(yùn)算就可以得到信號(hào)外部引入的噪聲。這個(gè)噪聲的減除是在源IQ數(shù)據(jù)上完成的，純算法的方式就可以達(dá)到3-4個(gè)dB的EVM優(yōu)化，當(dāng)然這個(gè)測(cè)量結(jié)果的提升是犧牲一定測(cè)量時(shí)間換取的。我們還是以4.2.1章節(jié)中我們舉例的那個(gè)Wi-Fi7頻率6 GHz，320MHz帶寬，4096QAM調(diào)制方式的信號(hào)來(lái)看，打開(kāi)20次平均后的EVM就可以達(dá)到-54dB，這個(gè)提升在一些具有外部嘈雜噪聲的OTA環(huán)境或者路徑損耗較大的測(cè)試場(chǎng)景中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

圖10 802.11be做IQNC20次平均后的測(cè)量結(jié)果

因?yàn)楝F(xiàn)在Wi-Fi7的研發(fā)對(duì)于EVM的要求越來(lái)越高，尤其是一些做WLAN芯片的廠家，需要給后面的射頻鏈路留足夠的余量，肯定希望儀器方面能夠摒棄一切噪聲帶來(lái)的干擾，提升測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍，那么IQ噪聲抵消選件帶來(lái)的效果是顯著的。比如對(duì)于頻率6.9GHz，320MHz帶寬，MCS13的調(diào)制方式的輸入802.11be信號(hào)，在不同輸入功率電平下的噪聲分布曲線，以及IQNC帶來(lái)的EVM提升效果見(jiàn)下圖：

圖11 IQ噪聲抵消帶來(lái)的EVM提升

Wi-Fi7的到來(lái)不僅預(yù)示著無(wú)線通信技術(shù)的一次重大飛躍，也為射頻設(shè)計(jì)和測(cè)試領(lǐng)域帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。帶寬和高階調(diào)制對(duì)射頻前端設(shè)計(jì)提出了更高的要求，設(shè)計(jì)師需要面對(duì)信號(hào)完整性，功耗，線性度和熱管理等一系列復(fù)雜的問(wèn)題。R&S公司憑借其身后的技術(shù)積累和創(chuàng)新能力，將繼續(xù)為推動(dòng)Wi-Fi7技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用貢獻(xiàn)力量。

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